一種面向5G/Wi-Fi 6異質(zhì)集成雙模SAW射頻濾波器技術方案

近日，第69屆國際電子器件大會（IEDM 2023）在美國舊金山召開。中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所（簡稱：上海微系統(tǒng)所）歐欣研究員課題組以口頭報告形式發(fā)表了題為“Miniaturized Dual-Mode SAW Filters using 6-inch LiNbO3-on-SiC for 5G NR and WiFi 6”的最新研究成果，博士生鄭鵬程、張師斌副研究員、華南理工大學徐金旭副教授為本論文共同第一作，張師斌副研究員、歐欣研究員為論文共同通訊作者。IEDM會議被譽為半導體領域的“奧林匹克盛會”，是報告半導體和電子器件技術、設計、制造、物理和建模等領域的關鍵技術突破的頂尖論壇。

本工作中，歐欣研究員課題組基于自主研制的6英寸高質(zhì)量X-cut LiNbO3/SiC異質(zhì)集成襯底，在國際上率先提出面向5G/6G、WiFi 6/7應用的“雙模激勵，多頻集成”的高性能、低成本的聲表面波（SAW）濾波器技術。傳統(tǒng)的SAW濾波器通常在單一設計方向上激發(fā)單一的聲波模式（例如瑞利波、水平剪切波SH-SAW、縱向漏波LL-SAW等），且工作頻率難以突破3GHz，僅適合于傳統(tǒng)4G LTE頻段，難以在高頻段與FBAR、IPD等技術抗衡。

如圖1所示，由于X-cut LiNbO3面內(nèi)的強各向異性以及SiC襯底極高聲速的特性，高機電耦合系數(shù)、高Q值的LL-SAW和SH-SAW模式可同時在LiNbO3/SiC異質(zhì)襯底的不同面內(nèi)方向上激發(fā)，即利用完全相同的器件設計，在不同面內(nèi)方向上可分別得到高頻、中頻兩種濾波器響應。如圖2（a-b）中，在1.0~1.5 μm的波長下，SH-SAW和LL-SAW諧振器分別在3~4 GHz和4.7~6.3 GHz的頻率范圍內(nèi)展現(xiàn)出高機電耦合系數(shù)和高Q值。圖2（c）中，兩顆SH-SAW濾波器在5G N77頻段展現(xiàn)出495 MHz和391 MHz的帶寬以及<1 dB的插損；圖2（d）中，一組LL-SAW濾波器在Wi-Fi 6頻段亦展現(xiàn)出大帶寬和低損耗。

圖1：雙模態(tài)SAW濾波器技術示意圖

圖2：雙模態(tài)（a-b）諧振器和（c-d）濾波器的實測結果

為進一步驗證雙模態(tài)SAW技術在復雜網(wǎng)絡（如雙工器、多工器等）中的應用前景，本工作中還設計了5G N79 & Wi-Fi 6和5G N77 & 5G N79的高性能雙通帶濾波器響應（圖3），版圖尺寸<1 mm2。本工作從高質(zhì)量異質(zhì)晶圓、高頻諧振器、高性能分立濾波器和雙通帶濾波器4個維度，全面驗證了碳基SAW技術在3~7 GHz頻段的應用潛力，有望形成一條獨具特色的高性能、低成本、高集成度射頻濾波器解決方案。

圖3：面向5G/6G、Wi-Fi 6/7應用的雙通帶濾波器

值得一提的是，自從在國際上首次驗證SiC基異質(zhì)集成SAW濾波器技術（IEEE T-MTT, vol. 68, no. 9, pp. 3653-3666, Sept. 2020）以來，歐欣研究員課題組一直致力于高聲速異質(zhì)集成材料的工程化批量制備與高性能SAW濾波器技術的前沿探索。圖4展示了歐欣研究員課題組在2023年度SiC基SAW技術上的代表性工作：(a) 實現(xiàn)了Q值高達11000的LiTaO3/SiC基SAW諧振器，并揭示了高Q值的新物理機制（IEEE EDL, vol. 44, no. 5, pp. 813-816, May 2023.）；(b) 基于LiTaO3/SiC的高性能SAW諧振器和濾波器，無溫補層的前提下實現(xiàn)近零溫漂（IEEE T-MTT, vol. 71, no. 10, pp. 4182-4192, Oct. 2023.）；(c) 基于LiNbO3/SiC的低損耗、大帶寬LL-SAW濾波器（IEEE T-MTT, doi: 10.1109/TMTT.2023.3305078.）。同時，團隊還榮獲2022年度IEEE Microwave Prize、首屆全國顛覆性技術創(chuàng)新大賽總決賽優(yōu)勝獎、“國科大杯”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽總決賽一等獎等榮譽。歐欣研究員課題組將瞄準5G/6G、Wi-Fi 6/7應用需求，持續(xù)發(fā)力壓電異質(zhì)集成材料與SAW濾波器技術的創(chuàng)新研發(fā)、知識產(chǎn)權布局、工程化制備，為高端射頻前端/濾波器的國產(chǎn)替代保駕護航。

圖4：2023年度課題組碳基SAW技術代表性成果一覽。(a) 極高Q值（~11000）LiTaO3/SiC基SAW諧振器；(b) 基于LiTaO3/SiC的近零溫漂高性能諧振器/濾波器；(c) 面向5G N79頻段的高性能LL-SAW濾波器。

審核編輯：劉清